Solarenergie - Die Kraft der Sonne nutzen

Die Sonne ist der Garant allen Lebens auf unserem Planeten.

Sonnenlicht ist elektromagnetische Strahlung, die im Sonneninneren durch Kernfusion entsteht und in den Weltraum abgestrahlt wird. Nach menschlichem Ermessen bietet uns die Sonne ein schier unerschöpfliches Energiepotenzial, das noch bis zu 5 Milliarden Jahren zur Verfügung stehen kann, kostenlos und umweltfreundlich. Die auf der Erde eintreffenden Sonnenstrahlen sind pure Energie, die wir nutzen können. Nach Berechnungen des Bundesumweltministeriums liefert die Sonne eine jährliche Energiemenge, die den Energiebedarf in Deutschland um das etwa 80-fache übersteigt.

Auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche trifft in Deutschland im Jahr durchschnittlich eine Energiemenge der Sonne von 1.079 kWh (Globalstrahlungskarte 2016); in Äquatornähe sind es bis zu 2.800 kWh pro m2.

Der Deutsche Wetterdienst hat in 2016 für Mittelhessen Globalstrahlungswerte von ca. 961 – 1060 kWh/m2 ermittelt.

Diese Strahlungsdaten lassen eine fiktive aber dennoch interessante Berechnung zu:

Laut Statistik liegt der Durchschnitt beim Gesamtstromverbrauch bei rd. 6.000 kWh pro Einwohner. Das heißt rd. 6 m2 Erdoberfläche würden theoretisch genügen, um den Stromverbrauch eines mittelhessischen Bürgers abzudecken. Für die Gesamtbevölkerung Mittelhessens wären also rd. 6.250.000 m2 (entspricht 625 ha) erforderlich. Dies entspricht einem Flächenanteil von etwa 0,1 % der Fläche Mittelhessens. Wenn es uns gelänge, die komplette Sonnenergie aufzufangen, in Strom umzuwandeln und bedarfsgerecht zur Verfügung zu stellen, könnten wir den gesamten mittelhessischen Strombedarf durch diese Fläche abdecken.

Bei der Nutzung der Sonnenstrahlung für den Energiebedarf des Menschen sind vor allem drei Aspekte zu berücksichtigen:

  • die unterschiedliche Einstrahlungsintensität auf die Erdoberfläche;
  • zur Nutzung der Sonnenergie sind bezogen auf die relativ geringe Energiedichte verhältnismäßig große Empfangsflächen erforderlich;
  • das Energieangebot der Sonne ist nicht rund um die Uhr verfügbar; Sonnenenergie steht nur tagsüber zur Verfügung und unterliegt zudem jahreszeitlichen und witterungsbedingten Schwankungen.

Solarenergie können wir derzeit auf 2 Wegen nutzen:

Solarthermie: Warmwasser durch die Sonne

Aktive Solarsysteme wandeln die Energie der Sonne mittels Kollektoren und Absorbern in Wärme um und leiten diese in einen Vorratsspeicher bis zur späteren Nutzung. Solaranlagen sorgen für warmes Wasser zum Duschen, Spülen und Waschen und können bei entsprechender Auslegung auch die Raumheizung unterstützen. Auf deutschen Dächern sind weit über eine Million Kollektoranlagen installiert. Thermische Solaranlagen können zwischen 25 und 40 % der Sonnenstrahlung in Wärme umwandeln.

Mit Solarthermie können bis zu 70 % des jährlichen Energiebedarfs für Brauchwasser abgedeckt werden. Sofern sie als Kombi-Anlagen mit der Heizungsanlage kombiniert werden und diese unterstützen, können sie bei optimaler Auslegung mit etwa 20 bis 30 % zur Deckung des jährlichen Gesamtwärmebedarfs beitragen.

Funktionsweise von Solaranlagen

Zweikreissystem zur Warmwasserbereitung Quelle: BINE Informationsdienst, basis Energie 4, 2008
Kombinierte solare Raum- und Warmwasserheizung mit Zweispeichersystem Quelle: BINE Informationsdienst, basis Energie 4, 2008

Photovoltaik: Stromerzeugung durch die Kraft der Sonne

Seit dem Inkrafttreten des EEG –Erneuerbare-Energien-Gesetz am 1. April 2000 (EEG 2000) hat die Photovoltaik zunehmend an Bedeutung gewonnen.

Photovoltaik auf Dächern, an Fassaden und in Freiflächenanlagen ist für uns heute schon ein fast alltägliches Bild geworden. Bei der Photovoltaik wird in Solarzellen das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt. Der dadurch gewonnene Gleichstrom wird über Wechselrichter in Wechselstrom überführt und steht dann als Verbrauchsstrom zur Verfügung. Photovoltaikanlagen können sowohl als Inselanlagen zum reinen Eigenverbrauch als auch als netzgekoppelte Anlagen, bei denen der Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird, betrieben werden. Inselanlagen dienen vorrangig der Stromversorgung netzferner Gebäude; Anlagen mit Netzeinspeisung sind der Regelfall.

Die Leistung der einzelnen Solarmodule wird in WPeak, die Leistung einer Anlage in kWPeak angegeben. Peak steht für die Spitzenleistung, die Solarmodule unter Standard-Testbedingungen erzielen. Festgelegt sind diese mit 1.000 Watt Einstrahlungsleistung, die senkrecht auf 1 m2 Fläche treffen. Die Temperatur der Zelle beträgt hierbei gleichmäßig 250C und AM = 1,5. Letzeres heißt, dass der Sonnenstrahl auf seinem Weg das 1,5-fache der Atmosphärendicke (AM = Air Mass) der Erde durchdringt. Moderne Photovoltaikmodule haben heute einen Wirkungsgrad von 14 – 17 %. In Mittelhessen können Durchschnittserträge im Jahr von etwa 900 bis 950 kWh pro kWPeak erzielt werden.

Ende 2016 betrug die installierte Leistung der Photovoltaikanlagen in der Bundesrepublik Deutschland rund 41 Gigawatt.1


Der Ausbau der Photovoltaik hat insbesondere in den Jahren ab 2009 stark zugenommen. Diese Zunahme wurde begünstigt durch stark fallende Modulpreise, der im Verhältnis zur Investition günstigen Einspeisungsvergütungen und eine hohe Akzeptanz für diese Energieform (vgl. Abbildung).

Diese Entwicklung führt zu der Einschätzung, dass der Solarstrom heute fast überall die sogenannte Netzparität erreicht hat. Solarstrom lässt sich heute entsprechend zu Kosten erzeugen, die den herkömmlichen Stromtarifen für Verbraucher entsprechen.

Strom aus Windenergie und Photovoltaik hat den Nachteil, dass er nicht dauerhaft zur Verfügung steht und in seiner Erzeugung starken jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt. Dabei wird oft darauf verwiesen, dass in Spitzenzeiten die Stromerzeugung aus Wind und aus Photovoltaik in der Addition nicht benötigten Überschussstrom verursacht. Andererseits zeigen Untersuchungen auf, dass sich unter Darstellung der Erzeugungsprofile Wind- und Sonnenstrom gegenseitig ergänzen, da klimabedingt in Deutschland hohe Sonneneinstrahlungswerte und hohe Windstärken negativ korrelieren. Dies spricht letztlich für einen ausgewogenen Mix von Stromerzeugungskapazitäten aus Wind- und Sonnenergie.

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1 Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.